轴向压缩下泡沫铝填充薄壁圆管吸能特性研究

利用有限元软件ABAQUS对7种不同几何尺寸的泡沫铝填充管进行准静态轴向压缩的数值仿真分析,系统地研究了管的高度、壁厚、直径以及泡沫铝的填充对圆管吸能性能的影响;与实验对比,分析了7种泡沫铝填充试件的平均载荷、初始峰值载荷、比吸能(ESA)和压缩力效率(ECF)等吸能评价指标。研究结果表明,泡沫铝填充管在准静态轴向压缩时,管的壁厚与直径对管的吸能性能有显著影响;管的高度对其吸能性能影响较小,但高度的增加可以增加管的总吸能;泡沫铝的填充提高了管的承载力、总吸能、比吸能和压缩力效率。本研究成果可为设计理想的缓冲吸能装置提供一定的技术依据。     

串联蜂窝吸能和冲击稳定性研究

从单块蜂窝的结构特点、准静态异面压缩吸能特性、消除初始峰值的预压缩方法和应变率效应等出发,提出串联蜂窝的合理结构形式,通过有限元仿真和撞击试验解决串联蜂窝失稳的问题。研究结果表明:将串联蜂窝放置在柱状筒体中约束其横向位移,相邻蜂窝间设置能抵抗蜂窝压力不均匀性的隔板,蜂窝与隔板粘接成无滑移整体结构,则当串联蜂窝组件进行高速撞击时,隔板不发生变形,并几乎不倾斜,蜂窝基本上处于异面压缩状态,整体变形模式好,具有较强的吸能能力。     

碳纤维增强铝合金层合方管轴向吸能特性

为减轻薄壁吸能结构质量、提高结构能量吸收性能,制备碳纤维增强铝合金层合方管试样。对方管试样进行准静态轴向压缩试验,研究碳纤维增强铝合金层合方管的变形模式和机理。提出分段碳纤维复合材料层合方管的设计方法;并对其轴向吸能特性进行对比验证。结果表明,外层碳纤维复合材料与内层铝合金材料的界面出现脱层断裂,内层铝合金材料对方管变形起到了引导作用,外层碳纤维复合材料阻碍铝合金材料的折叠变形,碳纤维增强层合方管较原铝合金方管有效压缩能量提高了35.79%,压缩力效率提高了28.38%;而分段碳纤维增强铝合金层合方管还能有效降低初始峰值压缩力,提高薄壁结构压缩力效率,压缩力效率较原来提高了13.53%,进一步提升碳纤维增强薄壁结构的吸能特性。     

不同饱水度下红砂岩动静态力学试验

基于φ100 mm SHPB试验平台和液压伺服试验机,对4种饱水度下红砂岩进行动、静态压缩试验,探究了饱水度对岩石强度、峰值应变、峰值模量及应变率效应的影响规律,并从细观角度对实验结论进行分析,得出:饱水度对岩石强度的影响存在临界值S_l,饱水度小于临界值S_l时,强度随饱水度的增加而线性降低,当饱水度达到S_l后,随着饱水度的增大,岩石强度的变化幅度非常小;峰值应变在饱水度为0.42时出现极小值,动态试验条件下的峰值应变对饱水度更为敏感;峰值模量随饱水度的增大而线性减小;从细观角度探究饱水度对峰值模量的影响,应主要把握3个关键参数:矿物颗粒和粒间胶结物的受力能力、协调变形能力以及孔隙发育程度;随着饱水度的增大,岩石力学性质的应变率效应越来越明显。其中,饱水度对岩石强度应变率效应因子影响最大,对峰值应变应变率效应因子影响次之,对峰值模量应变率效应因子影响最小。     

不同密度泡沫铝的静动态压缩力学性能

采用电液伺服万能试验机和改进SHPB直接撞击系统对不同密度梯度泡沫铝进行了准静态和动态压缩试验,获得了3种相对密度泡沫铝在不同应变率下的单轴压缩应力-应变曲线,分析了相对密度和应变率对泡沫铝力学性能、吸能特性的影响。结果表明：在同一种应变率下,随着相对密度的增加,泡沫铝弹性阶段屈服应力和平台应力显著提升,而致密应变则会提前。相对密度高的泡沫铝其单位体积吸收能量越多,两者呈现正相关性;相对密度低的泡沫铝其吸能效率越大,两者呈现负相关性。随着应变率的增加,泡沫铝单位体积吸收能量逐渐提高,吸能效率变化不大。     

应变率效应对再生混凝土动态力学性能的影响

通过约束再生混凝土单轴受压动态力学试验,研究了应变率效应对约束再生混凝土力学参数的影响.分析不同应变率下再生混凝土动态破坏特征以及受压应力-应变关系全曲线,可以发现:在不同应变率、再生粗骨料取代率或体积配箍率下,再生混凝土单轴应力-应变关系曲线的上升段基本一致,而下降段差异较为明显;随着应变率的提高或再生粗骨料取代率的增加,下降段曲线随之变陡,而随着箍筋配箍率的提高,下降段曲线明显随之趋于平缓.通过试验数据回归分析,提出约束再生混凝土受压峰值应力和峰值应变动态放大系数函数模型;随着应变率的提高,约束再生混凝土受压峰值应力和峰值应变均随之增大;而约束再生混凝土受压峰值应变动态放大系数增加幅值低于受压峰值应力动态放大系数的增加幅值;进一步分析了应变率效应对约束再生混凝土初始弹性模量的影响规律,确定了初始弹性模量和应变率的函数关系,并给出了初始弹性模量动态放大系数函数模型.随着应变率的提高,约束再生混凝土初始弹性模量动态放大系数随之增大,但其增长幅度要比受压峰值应力和峰值应变动态放大系数的增长幅度小.     

多晶纯钛中应变率拉伸力学行为实验研究

利用MTS809和自行研制的中应变率材料试验机,在室温下对多晶纯钛进行了0.004~14 s-1的准静态至中应变率范围内的拉伸试验,得到了多晶纯钛的拉伸应力应变关系.试验结果表明,多晶纯钛的拉伸力学行为在准静态至中应变率范围内具有明显的应变率强化效应和应变硬化效应,且有随应变率增大而逐渐明显的绝热温升软化效应.金相观察显示,拉伸变形过程中伴随孪生机制且孪晶密度随加载应变率的升高而增大.基于Johnson-Cook模型,提出了通过引入综合绝热温升软化系数Ψ来计及与应变率相关的绝热温升软化效应的修正的热粘塑性本构模型.结果表明,该模型能较好地表征多晶纯钛在本试验应变率范围内的拉伸力学行为.     

水泥砂浆应变率效应研究

为分析试件长径比和应变率对水泥砂浆动态力学性能的影响规律,采用准静态实验测量了砂浆的单轴压缩强度、弹性模量以及泊松比.利用分离式SHPB压杆进行1维应力压缩实验,对水泥砂浆试件进行了回收和比较,获得了不同长径比水泥砂浆试样在不同加载速率下的动态损伤破坏过程和应力应变曲线,研究了动态强度增强因子随应变率的变化规律.结果表明:动态压缩强度随应变率的增加而显著增大;试件直径相同时,厚度小的获得的动态强度增强因子要小于厚度大的;随着应变率提高,试件损伤增加,碎块尺寸越小,表明破坏能量随应变率的增加而提高.      

3004铝的动态力学性能及本构模型

为了得到3004铝的动态力学性能及本构模型,运用静态实验机和分离式Hopkinson压杆动态加载装置,在温度为10～400℃、应变率为0.000 5～2 000s-1范围内得到了3004铝在准静态拉伸及动态压缩条件下的应力-应变曲线,并基于Johnson-Cook材料模型对其进行拟合分析.结果表明:3004铝有明显的应变率强化效应和温度软化效应,其应力随应变率的增加而增加,随温度的升高而降低;拟合得到的3004铝动态本构关系曲线可以描述出材料在大应变率和高温下的力学性能.     

夹芯圆管耐撞性分析及结构优化

夹芯圆管因其质量轻、成本低、能量吸收率高等特点被广泛应用于车辆工程和航空航天领域。为了提高夹芯圆管的耐撞性能,使用有限元软件Ansys进行轴向冲击仿真研究,分析了肋板数、壁厚、内圆直径对其耐撞性能的影响。结合响应面法和NSGA-Ⅱ算法对夹芯圆管的结构进行多目标优化,最后将结构进行扭转,探究扭转角对耐撞性能的影响。结果表明：壁厚对耐撞性的影响最大,内圆直径对峰值压缩力基本没有影响。扭转后的夹芯圆管可以在不提高峰值压缩力的前提下增加比吸能,耐撞性能有明显提高,扭转角度为45°时效果最佳,较扭转前增加了10.75%,为夹芯圆管的耐撞性设计提供了一种新方法。     

材料应变率效应对2类吸能结构碰撞性能的影响

轨道车辆吸能结构变形时伴随着明显的应变率效应,为了研究材料应变率效应对碰撞仿真结果的影响,以应变率敏感材料Q235为研究对象,首先,通过实验数据对比和理论解对比2种方法,证明考虑应变率效应的Q235材料模型的可靠性;然后,研究材料应变率效应对挤压式和压溃式圆锥管吸能结构碰撞载荷与吸能、变形模式等耐撞性能的影响;在此基础上,提出2种受材料应变率效应的影响不明显、变形有序可控的诱导式吸能结构。研究结果表明:对于不同结构,材料应变率效应影响因子不同,考虑材料应变率强化效应的挤压式吸能结构碰撞力放大因子比压溃式圆锥管结构的大;对于不同结构,材料应变率效应影响因子随速度变化的幅度不同,挤压式吸能结构的应变率效应放大因子随速度变化幅度比压溃式的小;材料应变率效应对第二类吸能结构的变形模式影响显著,应变率强化效应减少了应变率较大的变形,增加或促进了应变率较小的变形;诱导式吸能结构的变形模式受材料应变率效应的影响不明显,变形有序可控,在工程设计中可考虑采用诱导结构,以减少材料应变率效应对结构变形模式的影响。     

5083P-O和6008-T6铝合金的应变率效应对缓冲器缓冲特性的影响

为研究材料应变率效应对薄壁金属管塑性变形缓冲器缓冲特性的影响,通过对铝制缓冲器进行材料试验,获得不同应变率下5083P-O和6008-T6铝合金的材料本构关系,结合冲击物理试验与理论模型,验证缓冲器有限元模型的可靠性。基于该本构关系与冲击模型,研究不同材料应变率效应对缓冲器及其预处理结构缓冲特性的影响。研究结果表明:在不同冲击速度下,材料应变率效应对缓冲载荷历程无明显影响,但会使缓冲力整体出现缩放。随着冲击速度的提高,5083P-O铝合金表现出特殊应变率敏感性,导致缓冲器抵抗变形的能力先减弱后增强。6008-T6铝合金的应变率强化效应增强了缓冲器的抗冲击能力。经预处理的缓冲器吸能量减少,其理想吸能效率降低,5083P-O铝合金的材料应变率效应会减少缓冲器因预处理而产生的吸能量损失,而6008-T6铝合金的材料应变率效应会增加缓冲器的吸能量损失,因此,在对缓冲器进行结构优化设计时,需要考虑材料应变率效应的影响。     

水灰比对水泥砂浆高应变率下动态抗压力学性能影响的试验研究

为了研究水灰比对高应变率下水泥砂浆动态抗压力学性能的影响,利用分离式Hopkinsin压杆(SHPB)装置对不同水灰比(0.4、0.5和0.6)的水泥砂浆试件进行了单轴动态抗压试验研究;应变率范围为(39.4～209.4)s-1。同时进行了静态加载试验。试验结果表明,水泥砂浆的单轴抗压强度随着应变率的增大而增大,随水灰比增大,动态抗压强度值随应变率提高而增大的越缓慢;动态抗压强度提高因子DIF随应变率的增加而增大的速度随着水灰比的增加而降低。高应变率下,水泥砂浆试件的峰值压应变与极限压应变随着应变率的增大而增大,水灰比对峰值压应变值与极限压应变值的影响不大。     

CoCrNiSi0.3中熵合金动态剪切性能及其织构演化研究

利用分离式霍普金森压杆对CoCrNiSi_0.3中熵合金进行动态加载，研究不同应变率下的压缩性能，发现其对应变率较为敏感，且有明显的应变率强化效应。准静态压缩下(应变率10^-4 s^-1),应变率敏感度m为0.13,而动态压缩下(应变率5 150 s^-1)m为0.25.通过帽型剪切实验，研究了该合金的剪切性能，结果表明准静态剪切屈服强度为330 MPa,动态剪切的屈服强度为630 MPa.随预留剪切区域宽度的增加，峰值应力有所下降，但剪切失效应变明显增加，当预留剪切区域宽度为50μm时，剪切应变高达12.8.通过剪切“冻结”实验，研究了剪切变形的增大对材料内部的晶粒微观结构和织构演化特征的影响。结果表明，晶粒内的几何必要位错密度随变形加剧而增加，变形织构向A、P类型织构演化，同时Cu型织构逐渐减少。在绝热剪切带形成前，功热转换计算的温升缺乏准确性，佐证了绝热剪切带的形成并不是由热软化引起的。     

高速列车串行铝蜂窝吸能结构的轴向冲击动力学响应

研究高速列车串行铝蜂窝吸能结构在高速轴向冲击下的动力学性能。首先通过准静态试验对单块铝蜂窝的力学性能进行测试;然后通过高速冲击试验研究串行铝蜂窝的动力学特性;最后,采用参数辨识模型,得到串行铝蜂窝在高速轴向冲击下的刚度变化,并根据试验结果对串行铝蜂窝在高速轴向冲击下的偏移失稳现象进行分析。研究结果表明:串行铝蜂窝刚度系数的变化与铝蜂窝系统中隔板速度变化有密切关系,铝蜂窝开始变形时其刚度系数迅速变小,当各蜂窝前端隔板速度开始下降时蜂窝刚度系数曲线趋向平缓;串行铝蜂窝具有吸能量大、可实现变形模式可控,能够满足高速列车的冲击吸能量要求。     

轴向载荷下蜂窝填充薄壁锥管的吸能特性

基于数值仿真和台车冲击实验,研究轴向载荷下隔板、蜂窝填充对薄壁锥管变形模式、吸能性能的影响。考虑填充蜂窝尺寸影响,提出蜂窝分段均匀填充结构和梯度蜂窝填充结构2种改进方案,并分析其吸能特性。研究结果表明:在轴向载荷下,薄壁锥管、加隔板锥管、蜂窝填充带隔板锥管这3种结构的吸能量分别为73.2,133.2和221.0 kJ;隔板的增加使薄壁管的吸能量增加82.0%,填充蜂窝和隔板的增加使薄壁管的吸能量增加201.9%;由于蜂窝与薄壁管的相互影响,与原始蜂窝填充吸能结构相比,改进结构C1和C2在轴向冲击下的吸能量分别提高21.1%和24.3%;隔板与蜂窝的共同作用可以提高薄壁锥管的吸能量,同时变形更加稳定、有序可控。     

高应变率下混凝土材料的力学行为

当混凝土结构受动力荷载致使应变率高到一定程度时,混凝土强度相比准静态荷载条件下会显著增加,这种增强效应一般通过动态强度和静态强度的比值来表达,即动力增强因子DIF(Dynamic increasing factor).针对混凝土压、拉两态DIF的试验、数值和理论研究结果进行了分析,并对混凝土材料动态抗压试验进行数值模拟,指出在压应变率下的混凝土强度的增强效应大部分源自结构效应而非其材料属性的改变,而拉应变率下强度的增强效应则来源于材料效应.     

岩石巴西圆盘的SHPB试验分析

为了研究花岗岩、千枚岩、磁铁石英岩不同应变率下三种岩石的拉伸敏感系数、弹性模量、能量耗散特征和破坏方式的变化规律,利用霍普金森试验装置对三种岩石进行动态平台巴西圆盘劈裂拉伸试验,试验结果表明:三种岩石的拉伸敏感系数随应变率的提高而增大,且应变率对拉伸敏感系数存在突变阈值;千枚岩和磁铁石英岩的弹性模量随应变率的增加而增大,花岗岩的弹性模量在应变率达到247.1 s-1以后基本不变;入射能、反射能、吸收能随着应变率的提高而增加,但试件吸收的能量相对于入射能是减小的,而透射能基本保持不变;三种岩石均沿加载直径方向劈裂,由中心起裂,满足了巴西圆盘试验的有效性,当应变率较大时,会在试样的加载端部的三角区出现粉碎区.     

列车车体铝合金动态力学性能及其对吸能的影响

为了研究车用5083H111铝合金材料的动态力学性能及其对结构吸能的影响,分别对该材料进行动态冲击拉伸和动态冲击压缩试验,获得不同应变率下的材料本构关系。以车辆防爬吸能结构为载体,采用3种材料模型,对比分析该铝合金材料的动态力学性能对车体吸能结构吸能容量的影响。研究结果表明:5083H111铝合金材料在低应变率情况下存在应变率软化效应,在中低应变率范围内存在应变率软化再强化特性;在高应变率情况下,这种材料表现出明显的应变率强化效应;列车碰撞的应变率数量级范围为0~2,属于中低应变率范围;对于5083H111铝合金制成的车体吸能结构,考虑应变率效应的结构的实际吸能量要比不考虑应变率效应的相同结构的吸能量小。     

铝蜂窝异面压缩吸能特性实验评估

基于准静态实验与台车动态撞击实验,对不同规格铝蜂窝试件开展吸能能力特性评估;分析准静态与动态冲击条件下,各铝蜂窝的平台强度、比载荷、质量比吸能、体积比吸能与厚跨比的相关性,研究吸能特性与孔格疏密程度、蜂窝表观密度的关系.研究结果表明:该类蜂窝低速冲击较准静态压缩吸能能力提升约1.33倍;平台强度、比载荷、质量比吸能、体积比吸能均随厚跨比的增大呈幂次增大,幂次分别约为1.53,0.67,0.67,1.48;吸能能力随厚跨比的增大而提升,体积比吸能的增加较质量比吸能的增加更明显;所绘的蜂窝能量吸收图表征了实时平台应力与单位体积吸收能量的对应关系;曲线肩点反映了不同厚跨比蜂窝的最优吸能设计点,由系列蜂窝的肩点包迹线性方程表达式可反演设计出满足工程能量需求的蜂窝产品.